“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA - CÂMPUS DE ILHA SOLTEIRA
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO HIDRÁULICO DE BARREIRAS DE
PROTEÇÃO AMBIENTAL PRODUZIDAS COM SOLO LATERÍTICO ARENOSO
COMPACTADO, ESTABILIZADO QUIMICAMENTE
Autor: Rosimeire Aparecida Ventura Ribeiro
Orientador: José Augusto de Lollo
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia - UNESP - Câmpus de Ilha Solteira, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil
RIBEIRO, R.A.V. Avaliação do desempenho hidráulico de barreiras de proteção
ambiental produzidas com solo laterítico arenoso compactado, estabilizado
quimicamente. Ilha Solteira, 2002, 88p. (Dissertação de Mestrado), Faculdade de
Engenharia de Ilha Solteira – UNESP.
As características de capacidade de percolação de fluidos em camadas de
solos têm sido alvo de muitos estudos que refletem a preocupação do meio técnico em
termos do comportamento destes materiais frente a sua utilização em obras de engenharia.
Tais estudos têm tradicionalmente considerado o efeito desta percolação no comportamento
mecânico dos solos. Recentemente a avaliação das propriedades hidráulicas dos solos
passou a ter um papel fundamental em atividades relacionadas à disposiç ão de resíduos, a
qual pode proporcionar a percolação de fluidos potencialmente poluidores do subsolo. O
uso de qualquer tipo de material, visando à proteção do subsolo, exige, no entanto,
requisitos mínimos para que se tenha um bom desempenho no retardame nto da percolação
e na retenção de elementos potencialmente contaminantes, indicando o uso de materiais
com baixa condutividade hidráulica e boa capacidade de retenção de íons, requisitos que
não são atendidos por qualquer tipo de solo. Essa situação tem l evado à pesquisa de
diversos tipos de camadas compostas (sejam elas obtidas por misturas com solos ou pela
superposição de camadas com diferentes materiais) que atendam às finalidades pretendidas.
Para tanto se avaliou o efeito do uso de estabilizantes quí micos (cal e cimento) na redução
da condutividade hidráulica em um solo laterítico arenoso compactado. Foram feitos
ensaios de permeabilidade à carga variável e com área plena, permitindo concluir que o
material acima mencionado possui baixa condutividade hidráulica, podendo assim ser
utilizado na construção de barreiras de proteção ambiental.
PALAVRAS-CHAVE: Barreiras de proteção ambiental, solo laterítico, estabilização de
1 INTRODUÇÃO
Os riscos associados à disposição de resíduos constituem atualmente matéria
bastante estudada em todo o mundo. Tal situação tem provocado o disciplinamento, cada
dia mais intenso, desse tipo de atividade.
O desenvolvimento de tecnologias apropriadas e mecanismos legais de
controle não te m sido acompanhado, nos países do chamado terceiro mundo, de um
desenvolvimento sócio -econômico que propicie recursos para a adoção das técnicas mais
adequadas ou de estudos mais profundos visando à produção de tecnologias alternativas,
ocasionando a inviabilização de projetos ou a adoção de técnicas pouco econômicas.
Tal realidade é claramente observada em nosso país quando se analisa a
condição de pequenos municípios, nos quais a falta de recursos (ou sua má administração)
faz com que a destinação fina l dos resíduos não seja feita de forma adequada. Nesse
contexto, torna -se necessário o desenvolvimento de dispositivos de proteção ( liners)
adequados a essa situação.
Por outro lado, as características da maioria dos solos tropicais fazem com
que seu apr oveitamento para esta finalidade prescinda da adição de materiais argilosos de
forma a propiciar um desempenho satisfatório. Esses materiais, no entanto, nem sempre se
encontram disponíveis podendo tornar essa aplicação pouco viável.
Uma forma possível d e sanar essa deficiência seria o desenvolvimento de
barreiras de solos com a adição de outros materiais. Dentre as possibilidades existentes,
acredita-se que o uso de misturas solo -cal e solo -cimento possam se constituir numa
alternativa viável, com custos relativamente baixos se comparados às técnicas
“tradicionais” (adição de materiais argilosos e utilização de geotêxteis).
Essa tecnologia, caso se mostre confiável, pode ser de grande utilidade para
pequenas comunidades interessadas em desenvolver siste mas de disposição final de
resíduos urbanos com custos relativamente baixos.
Os resultados obtidos com o presente trabalho indicam que tal tecnologia
apresenta grande potencial de uso, proporcionando significativa redução na permeabilidade
do material com o uso de solo arenoso com baixo custo e aplicação técnica que não requer
2 OBJETIVOS
Os objetivos pretendidos, com o presente trabalho, foram:
(1) preparar camadas solo-cimento e solo -cal compactadas de forma a testar
seu desempenho em termos de condutividade hidráulica compatível com
o aproveitamento do material em barreiras de proteção ambiental,
considerando-se diferentes teores de cimento e cal;
(2) avaliar o desempenho hidráulico através de ensaios de permeabilidade à
carga variáv el e com área plena com água destilada, levando -se em
consideração o tempo das diferentes misturas utilizadas em função de
diferentes condições de exposição do material e diferentes teores de
aditivo em massa;
(3) avaliar também esta permeabilidade com o esgot o afluente e efluente
como fluidos de percolação no ensaio com área plena;
(4) propor critérios técnicos de produção de barreiras selantes com esses
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 LINERS
3.1.1 Definição
O termo liner é normalmente utili zado para designar camadas de baixa
permeabilidade, constituídas de materiais naturais, artificiais ou a combinação de ambos, e
que têm como objetivo proteger as vizinhanças da percolação de fluidos. Esses dispositivos
são utilizados em diversos tipos de o bras como canais, reservatórios, diques, lagoas de
rejeito, lagoas de tratamento de resíduos e aterros sanitários (LEITE, 1997).
Essas barreiras, quando utilizadas para o controle da infiltração de fluidos
contaminantes, têm a função de retardar ao máxim o o transporte do contaminante, de forma
que este não atinja as águas naturais, ou, caso o faça, seja com uma concentração tão baixa
que sua ação possa ser considerada inócua (LEITE, 1995).
A vulnerabilidade das águas subterrâneas por contaminação é, já de algum
tempo, uma grande preocupação para o homem. A disposição inadequada de resíduos pode
ser uma das causas mais freqüentes desta contaminação do subsolo, em função da
percolação destes contaminantes no meio circundante.
Com o objetivo de retardar a migração de tais soluções, tem sido pesquisadas
e desenvolvidas técnicas de construção de revestimentos ou barreiras de proteção ( liners)
formadas da combinação entre materiais naturais, artificiais ou a combinação de ambos.
Tais barreiras devem apresen tar, como requisito fundamental, baixa
permeabilidade, de forma a controlar e até mesmo impedir parcialmente, que contaminantes
venham a atingir recursos hídricos evitando prejuízos ao meio ambiente.
O termo liners refere -se a camadas aplicadas à base, l aterais e coberturas
superficiais em lagoas, aterros sanitários e reservatórios que servem para prevenir a
poluição do ambiente circundante devido à percolação de poluentes. Também podem ser
utilizadas para prevenir perdas econômicas de fluidos armazenados , reduzir poro -pressão
A escolha do tipo de liner é influenciada: (1) pelo uso a que se destina, pois
se pode esperar que ocorram efeitos diversos durante os processos de interação de
diferentes contaminantes e solos, que dependerão da natureza química do fluído percolador;
(2) pelo o ambiente físico no qual o mesmo será inserido (condições geológicas,
geoquímicas, topográficas, pedológicas, ecológicas, climáticas, e a natureza da ocupação da
área devem ser todos conhecidos e quantificados); (3) pelo material a ser tomado como
matéria-prima do liner; a taxa de infiltração e a vida útil do projeto (FOLKES, apud LEITE
2000).
3.1.2 Classificação
Segundo BOFF (1998) as classificações de liners mais conhecidas são as de
VIRARAGHAVAN (1987), DANIEL (1993) e ROWE (1988).
3.1.2.1 Classificação de Viraraghavan (1987, apud Boff, 1998)
Este autor classifica os liners segundo os materiais comumente usados na
sua confecção, que podem ser de materiais naturais ou obtidos de síntese.
i) Origem natural:
Solo compactado;
Concreto;
Emulsões asfálticas;
Solo-cimento;
Membranas de bentonita;
ii) Sintéticos:
Polietileno clorosulfurado (Hypalon);
Cloreto polivinílico (PVC);
Polietileno (PE);
Polietileno clorado;
Borracha butílica;
3.1.2.2 Classificação de Daniel (1993, apud Boff, 1998)
DANIEL (1993) classifica os liners em três grupos, porém sempre
destacando a presença de materiais argilosos em sua composição:
Liners argilosos naturais;
Liners argilosos compactados;
Liners argilosos geossintéticos.
3.1.2.3 Classificação de Rowe (1988)
Segundo ROWE (1988) os liners podem ser classificados em cinco
categorias:
Depósitos argilosos naturais;
Liners argilosos compactados;
Paredes de isolamento
Depósitos rochosos naturais; e
Coberturas sintéticas, incluindo geomembranas, jateamento de asfalto,
3.1.3 Especificações para a Construção de Liners
Não existe atualmente norma ou proced imento brasileiro voltado para a
construção de liners, necessitando-se, portanto, recorrer a algumas normas internacionais, e
a partir destas, fazer adaptações, levando -se em consideração as diferenças que existe entre
os solos europeus e norte-americanos com os solos brasileiros.
Segundo BRANDL (1992, apud BOFF, 1999), um liner deve atender às
seguintes exigências: (1) minimizar a ação de contaminantes; (2) possuir alta capacidade de
adsorção e retardamento dos contaminantes; (3) apresentar elevada resistência a substâncias
químicas e aos processos erosivos; (4) ter habilidade natural de autodepuração; (5) possuir
boa flexibilidade; (6) apresentar baixas taxas de expansão e contração.
Para QUIGLEY et al (1987, apud BOFF, 1999) para que um liner tenha um
bom desempenho é necessário que apresente as seguintes características: (1) espessura de 1
a 1,5m, quando construído em área destinada à disposição de para resíduos domésticos, e
de 3 a 4m para aplicação em áreas de disposição de resíduos industriais; (2) coeficiente de
permeabilidade (k) entre 10 -9e 10 -10m/s; (3) sua condutividade hidráulica não deve
aumentar quando o mesmo estiver sob a ação dos fluidos potencialmente contaminantes;
(4) devem limitar o fluxo efluente às vizinhanças da área, para não contaminar o entorno.
Com relação à espessura destas barreiras não há concordância entre os
diversos autores que discutem o assunto. GOLDMAN et al (1998, apud BOFF, 1999)
documentaram em diversas regulamentações nos Estados Unidos, o intervalo de 60 a
360cm como a espessura mínima exigida.
Para JESSBERGER (1995, apud BOFF, 1999), se um liner de 100cm de
espessura for construído em 4 camadas de alta qualidade, ou seja, com baixa
permeabilidade e boa união entre elas, os efeitos de variação espacial das co ndutividades
hidráulicas podem ser compensados.
Ainda segundo JESSBERGER (1995, apud BOFF, 1999) as condições para
que um sistema de liners seja considerado adequado, proporcionando qualidade e segurança
Requisitos Propriedades que devem Influências Específicas
ser inspecionadas do Local
Impermeabilidade Permeabilidade Gradiente hidráulico
Coeficiente de difusão Quantidade de contaminante solúvel (1) Concentração de contaminante em solução (2)
Tipo de contaminante(3) Temperatura
Capacidade de retenção (1), (2), (3) Tipo de argila
Sensibilidade do sistema a imperfeições
Zona de alta permeabilidade
Deformação ou ressecamento Cargas de soterramento
Estabilidade Resistência ao cisalhamento Influências Mecânicas:
Forças resultantes da deformação Forças resultantes de cargas de soterramento
Coesão (valores de residual e Forças resultantes dos procedimentos
não residual ) Construtivos
Resistência Resistência à lixívia Influências Químicas: tipo e composição da lixívia
Resistência ao gás duração da exposição Influências Térmicas Resistência à temperatura temperatura alta/baixa
Resistência hidráulica Influências Hidráulicas:
forças resultantes dos movimentos da água
Resistência à exposição clima e hidrogeologia do local
Figura 1 – Condições para que um sistema de liners seja considerado adequado segundo
JESSBERGER (1995), modificado de BOFF (1999).
Segundo a norma britânica o material a ser utilizado requer ensaios
seguintes critérios: (1) espessura mínima de 1m; (2) permeabilidade inferior a 10 -9m/s; (3)
variação comprovada do teor de umidade da mass a específica seca; (4) índices de
plasticidade consistentes, isto é, limite de liquidez e índice de plasticidade não devem
ultrapassar a 90% e 65%, respectivamente.
Na Alemanha, as leis federais e estaduais estipulam as condições básicas
para a contenção de resíduos perigosos e urbanos. A seguir são apresentadas as normas
aplicadas ao revestimento de base e às coberturas finais de aterro:
• Nos liners para aterros de resíduos perigosos são previstas as seguintes exigências:
1. Deve haver solo abaixo do liner com espessura mínima de 3m, k ≤10-7m/s, no mínimo
com 10% de argila em peso. O nível de água deve situar -se no mínimo a 1m da base do
aterro;
2. O elemento inferior do sistema de liner combinado consiste de 1,5m de solo
compactado em camadas de 250mm, com permeabilidade de 5x 10-10m/s;
3. Instalada acima desse solo, e em contato com esse, deve existir uma camada de
polietileno de alta densidade, de espessura mínima de 2,5mm;
4. A geomembrana deve ser adequadamente protegida, o que se encontra especificado no
seu certificado de garantia;
5. A drenagem do material percolado deve ser de no mínimo 300mm de espessura e k ≤
10-3m/s, sobre toda extensão.
• Nos liners para aterros de resíduos perigosos são previstas as seguintes exigências:
6. Deve haver solo abaixo do liner com espessura mínima de 3m, k ≤10-7m/s, no mínimo
com 10% de argila em peso. O nível de água deve situar -se no mínimo a 1m da base do
aterro;
7. O elemento inferior do sistema de liner combinado consiste de 1,5m de solo
compactado em camadas de 250mm, com permeabilidade de 5x 10-10m/s;
8. Instalada acima desse solo, e em contato com esse, deve existir uma camada de
polietileno de alta densidade, de espessura mínima de 2,5mm;
9. A geomembrana deve ser adequadamente protegida, o que se encontra especificado no
10. A drenagem do material percolado deve ser de no mínimo 300mm de espessura e k ≤
10-3m/s, sobre toda extensão.
• Nos liners para aterros de resíduos urbanos (Classe I e Classe II) são previstas as seguintes exigências:
Classe I (resíduo de baixo grau):
1. O liner deve ter uma camada mínima de 0,50 m de solo compactado e permeabilidade
mínima de 5x10-10m/s;
2. Uma camada de proteção adequada deve separar a barreira do sistema de coleta de
chorume, com espessura mínima de 300 mm e k mínima de 10-3m/s.
Classe II (resíduo de médio grau, ou resíduo urbano):
1. O liner deve ser o mesmo que o aplicado aos resíduos perigosos, definindo apenas do
solo compactado que deve ter 750 mm de espessura, em vez de 1,5 m.
3.1.4 Características dos Materiais Usados
Os materiais para serem usados na construção de liners devem apresentar
características que garantam seu bom desempenho como tipo de solo, capacidade de troca
catiônica, PH e permeabilidade (ELSBURY, apud LEITE, 2000).
3.1.4.1 Tipo de Solo
As car acterísticas do solo podem influenciar na qualidade do liner
produzido. Segundo LEITE (2000) os requisitos básicos a serem atendidos são boa
trabalhabilidade, gradação e expansividade no desempenho de um liner construído com
A trabalhab ilidade do material influencia na execução do liner, como
hidratação, homogeneização do material no campo. Argilas de alta plasticidade requerem
esforços maiores para o seu processamento e compactação em liners de baixa
permeabilidade.
A gradação do solo é importante para manter as características necessárias
sugeridas na especificação, e ainda influencia na trabalhabilidade do material e
permeabilidade do mesmo.
A expansibilidade influencia na permeabilidade do material. Em solos
altamente expansivos e xiste a suspeita de que a expansão não confinada induziria o
desenvolvimento de fissuras elevando a permeabilidade do material.
3.1.4.2 Capacidade de Troca Catiônica
A capacidade de troca catiônica (CTC) descreve a eficácia com que um
material fixa ion s que estão presentes em solução em contato com ele e substitui tais ions
por outro tipos de íons contidos em sua composição. A substituição dos cátions trocáveis
envolve cátions associados a sítios de carga negativa nos sólidos de solos argilosos através
de grandes forças eletrostáticas.
Tais reações de troca iônica podem ocorrer em vários constituintes do solo,
isto é, argilominerais e frações do solo não argiloso. Para a seleção dos íons a serem
trocados em uma superfície carregada em solos argilosos deve-se considerar a presença de
misturas de eletrólitos e o tamanho dos íons.
O número de cátions trocáveis substituídos também depende da
concentração dos íons em solução. Por exemplo, se uma argila contendo cátions de sódio
Na+for substituído pelos í ons de Ca++em solução, a substituição pode ocorrer até que um
certo percentual de equilíbrio na troca iônica deixe inativo o sódio e mantenha o cálcio
(YONG et al, apud BOFF, 1998).
Os íons trocáveis possuem esferas de hidratação variáveis que influenci am a
expansão e a contração dos solos à medida que varia o teor de umidade (LEITE, 1996).
com superfícies de carga fixadas, onde a CTC é medida pela substituição do t odos os
cátions naturais por um outro cátion.
3.1.4.3 pH
O pH influencia na retenção de materiais pesados nos solos. O material
percolante no campo consiste de quantidades e espécies variadas de metais pesados e outros
tipos de contaminantes, apresentando diferentes níveis de pH em momentos variados.
YONG & PHADUNGCHEWIT (1993, apud BOFF, 1998) apresentam
resultados indicando que o desempenho de atenuação do material é sensível ao pH do
percolado e ao esforço competitivo entre os metais pesados presentes na mesma.
Segundo LEITE (1997) à medida que quantidades crescentes de ácidos são
adicionadas aos solos, como se espera que ocorra nas condições de campo, as quantidades
de metais pesados retidos dependerão do pH da solução do solo, que se associa di retamente
à capacidade de tamponamento do referido solo. Uma mudança nas características do solo
resulta numa correspondente mudança do mecanismo dominante de retenção dos metais
pesados no mesmo.
WAREHAM et al, (1988) apresenta resultados usando percola dos com três
pHs diferentes (7,9; 10,1 e 12,4) percolando uma barreira de areia/bentonita observando
que a variação do pH contribuiu significativamente para a passagem da mistura do estado
plástico para o viscoso, promovendo assim uma variação do arranjo d o material e
proporcionando variação na condutividade hidráulica.
3.1.4.4 Permeabilidade
A permeabilidade das rochas e solos pode ser entendida como a habilidade
para transmitir um fluido, dependendo de vários fatores físicos, como porosidade, tamanho,
distribuição, forma e arranjo das partículas do meio.
Em geral, para materiais inconsolidados onde o fluido percolante é a água, a
permeabilidade varia com o tamanho das partículas que constituem a fase sólida, assim
valores enquanto materiais com granulometria mais grosseira (como areias e cascalhos)
mostram valores mais altos.
3.1.5 Materiais Usados em Liners Compostos
Uma característica fundamental na escolha do material a ser usado na
construção de liner é sua baixa permeabilidade. Tal requisito tem proporcionado o estudo e
desenvolvimento de materiais compostos (confeccionados com solo associado a outros
materiais) impulsionando pesquisas para solucionar problemas locais.
Assim, alguns pesquisadores têm trabalhado com compostos de solos
arenosos ou areias puras com a adição de argilas conseguindo condições adequadas de
condutividade hidráulica para uso dos materiais como liners (LO, et. alii.,1996;
WAREHAM et. al., 1998; TASU -DON & VESILIND, 1998; e FODGE & BAUMAN,
1999).
Também têm sido testados compostos compactados com solo e asfalto (AL
-HOMOUD et. al.; 1996) e de solo com tiras de pneus (TABBAAA & ARAVINTHANB,
1998). Tais tipos de compostos têm mostrado bo as condições em termos de condutividade
hidráulica, porém uma forte tendência ao desenvolvimento de fissuras.
Nos últimos anos tem sido bastante comum também o uso de barreiras
compostas de solos e geossintéticos (CAZAUX & DIDIER, 2000; LAKE & ROWE, 2000 ;
e SHAKELFORD et. alii., 2000). Tais compostos apresentam bom desempenho hidráulico
a princípio, porém com o passar do tempo surgem problemas relativamente sérios de
durabilidade pela deterioração dos materiais geosstintéticos devido a reações químicas e
elevação da temperatura no interior das células de aterro.
O uso de camadas de solo estabilizado com cimento tem se mostrado
também uma boa opção, especialmente quando se trata de solos de textura tipicamente
argilosa, os quais apresentam valores naturai s de condutividade relativamente baixos
(SULLIVAN et. alii, 1998; e SANCHEZ et. alii., 2000).
Outra opção também testada com solos de textura argilosa é a adição de cal a
mecânico do solo (BELL, 1996; LOCAT et. al., 1996; OMIDI et. alii., 1996; e REID &
BROOKES, 1999).
3.1.6 Pesquisas com Solos Lateríticos no Brasil
Vários pesquisadores brasileiros têm testado o desempenho de liners
produzidos com solos lateríticos arg ilosos no Brasil. BOSCOV et alii, (1999a e 1999b) ao
avaliar os mecanismos de migração de contaminantes em barreiras de solos argilosos
lateríticos compactados verificaram que tal tipo de barreira apresenta bom potencial de
utilização prática.
RITTER, et . al. (1999) estudaram o potencial de retenção de materiais
produzidos com argila natural (80% de caulim comercial e 20% de bentonita) mostrando a
influência da salinidade do meio no transporte de soluções.
Ainda com solos lateríticos argilosos ANDERSON & HEE, (2000)
evidenciam o efeito da compactação na redução do gradiente hidráulico neste tipo de solo.
Considerando-se o uso de misturas de solos lateríticos (argilosos e arenosos)
em diferentes percentagens visando seu uso como liner BOFF, (1999) e BOF F &
PARAGUASSU, (1999) avaliaram os mecanismos de migração de soluções nos materiais.
LEITE, PARAGUASSU & ZUQUETTE (1998) e LEITE &
PARAGUASSU, (1999) avaliaram os mecanismos de migração de soluções em liners
produzidos com misturas de dois latossolos, u m arenoso e outro argiloso, com diferentes
percentagens relativas.
3.2 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
3.2.1 Definição
O solo é considerado como suporte de uma obra e como material de
construção, pois ele próprio é muitas vezes usado na construção de obras, co mo em aterros,
barragens, pavimentos de rodovias e aeroportos. Nesses casos, o solo deverá satisfazer a
Quando estas especificações não são atendidas, o solo a ser usa do poderá ser
submetido a um tratamento adequado para que venha a apresentar as características e
propriedades que permitam sua utilização.
Em qualquer caso, o que se pretende é aumentar a resistência do solo, o que
se consegue atuando no ângulo de atri to interno ou na coesão, ou em ambos. Os valores
desses parâmetros dependem, principalmente, de três fatores: granulometria, compacidade e
umidade.
A granulometria interfere através das frações grossa (pedregulho e areia) e
fina (silte e argila) do material. A primeira entra como elemento inerte, contribuindo para o
atrito interno e, a segunda, como elemento aglutinante influindo na coesão.
A compacidade desejável pode ser obtida por compactação, melhorando a
qualidade do solo, não só quanto à resistên cia, mas também nos aspectos: permeabilidade,
compressibilidade e absorção de água.
O efeito da umidade influencia predominantemente na coesão dos solos,
evidenciando a importância da fração fina do solo sobre o seu comportamento.
Para CAPUTO (1987), em problemas de pavimentação pode -se agrupar os
tipos de estabilização de solos em duas categorias: estabilização mecânica e estabilização
por adição de aglutinantes.
Na estabilização mecânica, a granulometria do solo é conservada ou
corrigida pela mistu ra com um ou mais materiais, antes da compactação, procurando -se
assim aumentar a coesão ou o ângulo de atrito interno, ou ambos os parâmetros.
Na estabilização por adição de aglutinantes, junta -se ao solo uma substância
que aumente a sua coesão ou que o impermeabilize, impedindo a diminuição da sua
resistência pela ação da água. Com a primeira finalidade, emprega -se o cimento, a cal ou
produtos betuminosos; com a segunda, as resinas, os produtos betuminosos ou químicos. A
estabilização de solos com cimen to e cal são exemplos da estabilização com adição de
3.2.2 Solo-Cimento
O solo -cimento é produto resultante da mistura íntima de solo, cimento
portland e água que, compactados ao teor ótimo de umidade e sob a máxima densidade, em
proporções previamente estabelecidas, adquire resistência e durabilidade através das
reações de hidratação do cimento (ABCP, 1986).
O solo -cimento é classificado em duas categorias: solo -cimento plástico
(SCP) e solo -cimento compactado (SCC). No SCP a água d eve ser adicionada até que se
obtenha um produto de consistência plástica, de aspecto similar ao de uma argamassa de
emboço. Para o caso do SCC a água deve ser adicionada em quantidade suficiente, de
modo a possibilitar a máxima compactação e a ocorrênci a das reações de hidratação do
cimento.
A conceituação do solo -cimento teve origem em Sallsburg no ano de 1917.
A utilização do cimento como agente estabilizador de solos teve início nos EUA em 1916,
quando foi empregado para solucionar problemas causado s pelo tráfego de veículos de
rodas não pneumáticas.
A primeira obra no Brasil em solo -cimento foi no ano de 1945, quando
construída uma casa de bombas para abastecimento das obras do aeroporto de Santarém no
Pará, com 42 m2.
Desde então, o solo -cimento teve grande aceitação, passando a ser utilizado
na construção e pavimentação de estradas de rodagem e vias urbanas, construção de
aeroportos e acostamentos, revestimento de barragens de terra e canais de irrigação,
fabricação de tijolos, pavimentação d e pátios industriais e de áreas destinadas ao
estacionamento de veículos, construção de silos aéreos e subterrâneos, construção de casas
e pavimentação de estábulos, além de muitas outras aplicações (SEGANTINI, 2000).
Os tijolos e blocos de solo -cimento constituem uma das alternativas para a
construção de alvenaria. Esses elementos, após pequeno período de cura, garantem
resistência à compressão simples similar à dos tijolos e blocos cerâmicos, sendo a
resistência tanto mais elevada quanto maior for a qua ntidade de cimento empregada; esta,
no entanto, deve ser limitada a um teor ótimo que confira ao material curado a necessária
Para a fabricação de tijolos e blocos de solo -cimento usa -se basicamente
uma mist ura constituída de solo, cimento e água, devidamente prensada. A prensagem é
feita em moldes e a forma variada destes possibilita produzir diversos tipos de elementos.
Os elementos fabricados são estocados em uma área para cura e mantidos úmidos, porém
são saturados, por um período nunca inferior a 7 dias (ABCP, 1985).
O solo -cimento compactado em paredes monolíticas constitui uma das
alternativas de construção habitacional. A parede de solo -cimento, executada conforme as
recomendações, garante resistênc ia à compressão simples e choques mecânicos da mesma
ordem de grandeza que as de alvenaria convencional.
Tanto os tijolos e blocos quanto às paredes monolíticas de solo -cimento
apresentam vantagens em relação ao sistema convencional como: podem ser prod uzidas
com o próprio solo local e no canteiro de obras, reduzindo o custo de transporte; a
regularidade das formas, a planeza e a lisura de suas faces requerem argamassa de
assentamento e de revestimento de espessura mínima e uniforme, e até mesmo dispensa r o
uso de revestimento, desde que protegidos da ação direta da água, sendo, portanto,
recomendáveis para paredes com elementos à vista; dispensa mão -de-obra especializada e
além de ser um produto que não agride o meio ambiente, pois sua fabricação dispens a a
queima (ABCP, 1985).
De acordo com SEGANTINI (2000), o solo -cimento é um material com
potencial para ser usado em fundações diretas para obras de pequeno porte, desde que se
observe alguns cuidados em locais com solos colapsíveis.
O emprego de solo-cimento como revestimento ou proteção do paramento de
montante de uma barragem de terra, de um dique ou de um reservatório não implica em
modificações nas condicionantes técnicas de projeto dessas estruturas. È pacífico, no
entanto, que a impermeabilidad e, a resistência aos esforços mecânicos, a coesão e a baixa
erodibilidade do solo -cimento acrescentam significativa melhoria na estabilidade do
3.2.3 Fatores que Influem nas Propriedades do Solo-Cimento
Como regra geral pode -se afirmas que as propriedades mecânicas dos solos
melhoram com a adição de cimento e com o processo de compactação da mistura, porém
alguns fatores influenciam nas propriedades do solo -cimento. Os fatores principais,
segundo SILVEIRA (1966) são tipo de so lo, teor de cimento, teor de água, compactação e
mistura.
3.2.3.1 Tipo de Solo
O tipo de solo a ser estabilizado é o fator mais importante a ser considerado.
Teoricamente, qualquer solo poderia ser estabilizado com cimento. Do ponto de vista
prático, imposições de ordem econômica e vinculadas a trabalhabilidade, limitam a faixa de
solos estabilizáveis, onde o teor de cimento é o fator condicionante. De um modo geral o
custo de fabricação do solo -cimento aumenta com o teor de argila ou grau de argilosid ade
do solo (SILVEIRA, 1966).
O Highway Research Board mantém como especificação geral o seguinte:
diâmetro máximo dos grãos de 3” (7,5 cm), porcentagem que passa na peneira 4 ( 4,76 mm)
> 50%, porcentagem que passa na peneira 40 ( 0,42 mm) > 15%, porce ntagem que passa na
peneira 200 ( 0,074 mm) < 50%; limite liquidez < 40% e limite de plasticidade < 18%.
A Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) divide os solos em
três tipos: os solos arenosos e pedregulhosos com cerca de 10 a 35% da fração s ilte mais
argila e são considerados os mais favoráveis à estabilização com cimento; solos arenosos
deficientes em finos, que são considerados tão bons quanto os anteriores, apenas havendo
mais dificuldades quanto à compactação e acabamento e os solos silto sos e argilosos que
apresentam dificuldades na pulverização.
O Quadro 2 apresenta um resumo dos principais critério de seleção de solos
para estabilização com cimento, segundo a granulometria dos mesmos.
Assim, os solos economicamente empregáveis na e xecução do solo -cimento
execução difíceis. Poder -se ia dizer que, em condições ideais, estaria o solo com 15% de
silte mais argila, 20% de areia fina, 30% de areia grossa e 35% de pedregulho.
Segundo SEGANTINI (2000) a existência de grãos de areia grossa e
pedregulhos é benéfica, pois são materiais inertes e tem apenas a função de enchimento e
isso favorece a liberação de quantidades maiores de cimento para aglomerar os grão
menores.
Os solos devem apresentar um teor mínimo da fração fina, onde experiências
tem demonstrado que quando os solos possuem um teor de silte mais argila inferior a 20%,
não se consegue uma resistência inicial que propicie a sua compactação.
Outros fatores que influenciam nas propriedades do solo -cimento estão
relacionados: ao teor de matéria orgânica, que deve ser limitado a 2% no máximo, pois sua
presença proporciona redução na resistência do solo -cimento; e a presença de certos tipos
de sais, principalmente os sulfatos, que são prejudiciais pelo fato de provocarem a
recristalização nos poros da mistura, produzindo a desagregação do solo -cimento
(SILVEIRA, 1966).
Autor Teor de
areia (%)
Teor de silte (%)
Teor de argila
(%)
Teor de silte+argila
(%)
Limite de Liquidez
CINVA (1963) 45 a 80 - - 20 a 55
-ICPA (1973) 60 a 80 10 a 20 5 a 10 -
-MERRIL (1949) > 50 - - -
-MAC (1975) 40 a 70 <30 20 a 30 -
-CEPED (1984) 45 a 90 - <20 10 a 55 45 a 50
Figura 2 – Critérios para a seleção de solos quanto a granulometria, modificado de
SEGANTINI (1994).
3.2.3.2 Teor de Cimento
Os teores usuais de cimento variam entre 5% e 15%, apesar de terem sido
utilizados com sucesso misturas com 4% e em outros casos, devido a circunstâncias
De acordo com o CEPED (1986, apud SEGANTINI, 1994), a quantidade de
cimento a ser utilizada na dosagem deve ser feita em função das características do solo, do
teor de umidade e da densidade a ser obtida no processo de compactação.
Os critérios para dosagem do solo -cimento tem em vista a sua aplicação
como elemento de base para pavimentos rodoviários e aeroportuários (SEGANTINI, 2000).
A quantidade de cimento a ser incorporado ao solo depende das características que se
pretende do material resultante.
Na determinação do teor de cimento, os estudos são dirigidos no sentido de
garantir a coesão quando o solo -cimento é solicitado, tanto pela ação do tráfego, como
pelos esforços provenientes das variações de tempera tura e de umidade, pois dois grãos de
solo fortemente unidos pelo cimento, uma vez separados, não voltam mais a apresentar a
mesma coesão.
A ABCP dispõe de uma Norma Geral e de uma Norma Simplificada de
Dosagem. A Norma Geral de Dosagem procura determin ar o teor de cimento capaz de
garantir à mistura a permanência de suas características melhoradas.
A determinação do teor de cimento, segundo SILVEIRA (1966), pode ser
feita através de ensaios de durabilidade ou de resistência à compressão simples de am ostras
moldadas em laboratório.
A dosagem é feita experimentalmente, onde diferentes teores de cimento são
empregados nos ensaios, e a análise dos resultados indica o menor teor capaz de estabilizar
o solo sob a forma de solo-cimento (ABCP, 1986).
A N orma Geral de Dosagem de Solo -cimento, segundo a ABCP pode ser
resumida nas seguintes operações:
a) identificação e classificação do solo;
b) escolha do teor de cimento para o ensaio de compactação;
c) execução do ensaio de compactação do solo-cimento;
d) escolha dos teores de cimento para o ensaio de durabilidade;
e) moldagem de corpos de prova para ensaio de durabilidade;
f) execução do ensaio de durabilidade por molhagem e secagem;
A determinação da quantidade adequada de cimento fundamenta -se na
análise do comportamento de corpos de prova com diferentes conteúdos de cimento.
Segundo a ABCP (1986), a melhor maneira de fixar os teores de cimento
para os ensaios é a comparação do solo em estudo com outros já ensaiados, levando -se em
consideração a granulometria, os índices de consistência, a origem geológica, a coloração, a
região de coleta e a profundidade da amostra.
Segundo ABCP (1986) para solos com os quais não se tenha experiência
antes, a F igura 3, elaborado pela Portland Cement Association (PCA), indica o teor a ser
adotado no ensaio de compactação.
Classificação do solo segundo a
AASHTO (M 145)
Teor de cimento em massa
(%)
A1-a 5
A1-b 6
A2 7
A3 9
A4 10
A5 10
A6 12
A7 13
Figura 3 – Teor de cimento para o ensaio de compactação.
A ABCP (1986) apresenta, ainda, mais dois quadros, onde estabelece teor de
cimento médio requerido por solos arenosos não orgânicos para o ensaio de durabilidade,
sendo um para solos arenosos não orgânicos e o outro para solos siltosos e argilosos.
O tempo de duração dos ensaios, principalmente os de durabilidade que
levam, segundo SEGANTINI (2000), 40 dias para apresentarem resultados, é a
desvantagem que a Norma Geral de Dosagem apresenta. Portanto, a PCA, baseada na
correlação estatística obtida nos resultados de ensaios de durabilidade e de resistência à
compressão simples aos 7 dias com 2438 solos arenosos, apresentou um método
simplificado para a dosagem de solo -cimento a qual pode ser resumida nas seguintes
operações:
• ensaio de compactação de solo-cimento;
• determinação da resistência à compressão simples aos sete dias; e
• comparação entre a resistência média obtida aos sete dias e a res istência admissível para o solo-cimento produzido com o solo em estudo.
Segundo a ABCP (1986), o fundamento desse método, comprovado pelos
ensaios realizados, é a constatação de que um solo arenoso, com determinada granulometria
e massa específica aparente seca máxima, irá requerer, de acordo com o critério da perda de
massa no ensaio de durabilidade, o mesmo teor de cimento indicado por este ensaio, desde
que alcance resistência à compressão, aos sete dias, superior a um determinado valor
mínimo, estabelecido estatisticamente na série de ensaios de comparação realizada.
O procedimento, daí resultante, foi materializado em ábacos de fácil e direta
utilização. O uso desse método restringe -se a solos que contenham no máximo 50% de
partículas com diâmetro inf erior a 0,05 mm (silte mais argila) e no máximo 20% de
partículas com diâmetro equivalente inferior a 0,005 mm (argila) (SEGANTINI, 2000).
3.2.3.3 Teor de Umidade
A presença de água no solo -cimento é necessária para hidratar o cimento,
melhorar a traba lhabilidade e facilitar a compactação. A quantidade de água presente na
mistura tem efeito considerável sobre a resistência e peso específico (TESORIERE, apud
FILHO, 1989).
A quantidade de água a ser adicionada à mistura de solo e cimento é a
suficiente para lhe conferir uma densidade máxima e garantir a pega do cimento, ou seja,
uma umidade ótima que é função, basicamente, do tipo de solo e do método de
compactação.
3.2.3.4 Compactação
Segundo FREIRE (1976), o termo compactação do solo refere -se à p rática
de, artificialmente, aplicar sobre ele cargas dinâmicas, com a finalidade de aumentar a sua
é influenciado pelo teor de umidade do solo e pela sua natureza (gr anulometria e
propriedades físicas), bem como pela energia de compactação empregada; em menor grau,
depende, ainda, da temperatura do solo e da água.
Os ensaios de compactação consistem na moldagem de corpos de prova
(CP), com a variação da quantidade d e água para cada CP, para que possa ser construída
uma curva (umidade x densidade), definindo, assim, os parâmetros “densidade aparente
máxima” e a correspondente “umidade ótima” para aquela mistura.
A densidade aparente máxima é alta quando se situa na faixa de 2,0 a
2,32g/cm3, expresso em termos de peso seco em estufa, e, baixa, quando varia de 1,36 a
1,60g/cm3; um teor de umidade ótima baixo coincide com a densidade aparente máxima
alta e está em torno de 8%, enquanto que um teor de umidade ótima alto coincide com a
densidade aparente máxima baixa que está por volta de 20%.
A densidade aparente máxima de um solo dá informação da sua
granulometria; a umidade ótima, sobre o teor de silte e argila; a forma da curva de
compactação complementa com informa ções valiosas mostrando a influência da umidade
sobre a capacidade de suporte do solo (PORTLAND CEMENT ASSOCIATION, apud
FREIRE, 1976).
O solo -cimento trabalhado à umidade ótima correspondente à densidade
máxima nem sempre produz material com máxima res istência. Este fato se deve a variação
do tamanho das partículas constituintes do solo, apresentando assim maior ou menor
superfície específica, onde uma mesma quantidade de água seria insuficiente ou excessiva
para a hidratação do cimento (MATEOS et alii, apud FREIRE, 1976).
A mistura solo -cimento com solo argiloso é mais sensível à variação da
umidade do que o executado com solo arenoso. Para se obter solo -cimento de alta
qualidade FREIRE (1976) sugere que para solos argilosos e siltosos, a mistura de s olo e
cimento seja compactado a uma umidade de moldagem igual ou superior à ótima (1% a
2%), enquanto que, para solos arenosos, a umidade de moldagem deve ser igual ou
3.2.3.5 Características da Mistura
A homogeneidade das características do solo -cimento em seu todo
dependerá, em grande parte, de se assegurar uma boa mistura entre o solo e o cimento, bem
como da água, posteriormente. É fácil entender que, quanto melhor a distribuição, tanto do
cimento como da água, na massa de solo a ser estabilizado, tanto mais se evitará ou se
atenuará a formação de bolsões mais fracos (quer por falta de cimento, quer por falta de
pega).
Para se ter uma idéia da importância da mistura, basta mencionar que os
resultados de campo raramente ultrapassam 85% dos resultados conseguidos em laboratório
com os mesmos materiais e a mesma dosagem, apenas com a diferença de ser a mistura em
laboratório bem mais eficiente que no campo.
3.2.4 Comportamento das Misturas Solo-Cimento
O solo -cimento é usado, normalmente, como base de estradas de rodagem,
sendo dimensionado como pavimento flexível, garantindo, assim, vida útil de 15 a 20 anos,
e é um material mais elástico que o concreto convencional, porém não tão resistente.
Todavia, isso não impede que, quando dosado convenientemente, o solo -cimento produza
uma base com resistência suficiente para atender às solicitações de um tráfego normal
(FREIRE, apud SEGANTINI, 2000).
A durabilidade do solo -cimento é, antes de tudo, função da ligação
estabelecida entre as partículas do solo pela hidratação do cimento, tendo ARMAM &
SAIFAN (1967, apud SEGANTINI, 2000) verificado que esse fenômeno depende ainda da
forma e tamanho das partículas, onde as de silte arredondadas e uniformes, originárias de
depósitos fluviais, produzem um solo-cimento de pequena durabilidade e baixa resistência.
FREIRE (1976) acrescenta que, de acordo com JOHNSON (1962), canais
revestidos com SCC apresentavam -se em boas condições de uso após quatro anos de sua
execução e, do mesmo m odo, canais revestidos com SCP mostravam -se quase em perfeitas
SEGANTINI (1994), utilizando um solo A4, realizou ensaios de compressão
simples em corpos de prova de SCC e de SCP. Os ensaios seguiram, para os c orpos de
prova de SCC, as prescrições das normas brasileiras que tratam da moldagem de corpos de
prova para esta finalidade.
Os resultados dos ensaios de compressão simples mostraram que o material
apresenta resistência suficiente para ser aplicado em elementos de fundação, principalmente
em estacas moldadas in loco, e que sua resistência não é comprometida com o tempo.
De acordo com LEVY & HELENE (1996, apud SEGANTINI, 2000), a cura
é um conjunto de operações ou procedimentos adotados para se evitar a evaporação da água
de amassamento e hidratação do cimento presente nas regiões superficiais do material. A
cura, em condições adequadas, tem como objetivo: impedir a perda de água de hidratação
do cimento; controlar a temperatura do material, até que se a lcance o nível de resistência
desejado; e suprir água extra para as reações de hidratação.
3.2.5 Solo-Cal
Como já citado anteriormente, a literatura refere -se à estabilização de solos
com cal como uma prática milenar, havendo referências de que tenha si do utilizada pelos
romanos para a construção de bases e sub -bases de pavimentos, juntamente com um
material denominado pela área de materiais de construção civil como “pozolana”.
Apesar das facilidades deste método de estabilização, o mesmo não teve
grande disseminação até a Segunda Guerra Mundial, quando então o Estados Unidos,
passou a ser assunto de interesse de instituições de pesquisa do setor rodoviário, em
particular no Estado do Texas, tomando grande impulso a partir de 1955.
Dentro do setor rodovi ário, o assunto foi desenvolvido mediante pesquisas,
não só com o auxílio das ciências tecnológicas, como também pelas diversas áreas de
apoio, chegando-se internacionalmente, e em particular nos Estados Unidos, à definição de
métodos de dimensionamento e de processos de execução de pavimentos com misturas
solo-cal. Desde então, esta solução tem sido adotada em diversos países, mesmo naqueles
A estabilização de solos com cal é caracterizada por se processar mediante a
modificação das condições na superfície das partículas do solo, a alteração das condições
do meio e as reações com o possível surgimento de compostos novos. Segundo LIMA
(1981) e ALCÂNTARA (1995) os principais processos químicos atuantes durante o
processo são:
a) Troca de Cátions e Floculação: sabe -se que as partículas do solo são dotadas de
cargas elétricas em suas superfícies, principalmente em decorrência de substituições
isomórficas na estrutura dos argilominerais, ou quebras na estrutura com exposição
de cargas. Geral mente, as cargas superficiais são negativas, em decorrência de
substituições isomórficas, as quais são neutralizadas por íons como o Na +ou o K+,
possíveis de serem substituídos por outros íons positivos, dentro de uma
seletividade natural a partir de algu ns princípios. Quando substituídos pelo íon Ca +
ou Mg+, as partículas assumem uma condição favorável à floculação, havendo o
fenômeno relação com a compressão da dupla camada difusa.
b) Carbonatação: é conhecido no meio técnico como o ciclo da cal. A reação de
carbonatação é o retorno da cal hidratada à condição de carbonato de cálcio, o qual
ocorre com a presença de CO 2. Cabe salientar que o tipo de cimento formado é
fraco, razão pela qual o efeito da carbonatação não é desejável no processo.
c) Reações pozolâ nicas: são compreendidas como aquelas que ocorrem entre os
materiais inorgânicos e o hidróxido de cálcio Ca(OH) 2, formando compostos
insolúveis mesmo sob condições de imersão, análogos aos obtidos na hidratação de
cimento Portland. O solo, em função de sua constituição mineralógica, tem um grau
de pozolanicidade, conforme a variação de seus constituintes, sendo o termo
“reação pozolânica” adotada para explicar as reações que possivelmente ocorrem
3.2.6 Parâmetros que Influenciam na Estabilização Solo-cal
A eficiência da estabilização solo -cal depende essencialmente de alguns
fatores, a saber:
a) A Classe de Solo: considerando solos do Estado de Illinois, Estados Unidos,
THOMPSON (1966) destaca alguns aspect os importantes na estabilização,
dentre os quais podem ser citados:
- os solos com argilominerais do grupo das montmorilonitas apresentam as
maiores reatividades solo-cal;
- os solos com pH acima de 7 apresentam boa reatividade solo -cal, enquanto que
a presenç a de carbono orgânico é indício de possível ocorrência de retardo de
reações;
- os parâmetros de classificação dos solos (porcentagem de fração de argila, limite
de liquidez, índice de plasticidade) não são indicativos da reatividade solo-cal;
- todos os solos calcários se apresentam bem reativos à cal;
- não está bem definida a correlação entre a capacidade de troca catiônica (CTC)
do solo e a reatividade solo-cal.
b) Tipo e Teor de Cal: segundo LIMA (1981) o tipo de cal não influencia
grandemente no processo de e stabilização de solos, enquanto outros relatam
experiências que contrariam esta concepção. Quanto ao teor de cal, de modo
geral, o ganho de resistência mecânica das misturas solo -cal é limitado por um
teor do aditivo, sendo este teor dependente do tempo de cura, para cada tipo
particular de solo.
c) Condições de Cura: para LIMA (1981) e PINTO (1985) o ganho de resistência
das misturas solo-cal é lento, resultantes de reações pozolânica. Estas podem ser
influenciadas por aceleradores de reação, dentre os quais pode -se citar a
3.2.7 Propriedades das Misturas Solo-Cal
Os solos tratados com cal podem sofrer alterações significativas nas suas
propriedades, conforme a idade da mistura, sendo estas alterações percebidas no seu
desempenho como material de construção. Os principais efeitos advindos do processo, cuja
descrição pode ser encontrada em LIMA (1981), BAUER & CARVALHO (1990), PINTO
& BOSCOV (1990), FERRAZ (1994), ALCÂNTARA (1995) e ALCÂNTARA & LOLLO
(1999) são:
a) Modificações nas Condições de C ompactação: De modo geral, postula -se que a
umidade ótima de compactação nas misturas solo -cal cresce, e a massa
específica aparente seca resultante diminui, com relação às propriedades do solo
em seu estado natural. Este efeito é crescente com teor de cal.
b) Modificações nos Limites de Atterberg: Tem -se verificado que a adição de cal
promove a diminuição do limite de liquidez de solos muito plásticos, e o
concomitante aumento do limite de plasticidade, reduzindo então o índice de
plasticidade dos solos.
c) Variações Volumétricas: A cal promove diminuição significativa da expansão
dos solos. Este efeito é crescente com o teor de cal até determinado teor,
considerado como ótimo para esse fim.
d) Permeabilidade: Em decorrência de uma possível floculação e modificação da
estrutura do solo para uma condição mais granular, devem ocorrer aumentos no
volume de vazios do solo, favorecendo desta forma a permeabilidade. Porém
deve-se levar em conta o tempo de cura, pois durante o processo, em razão da
cimentação promovida, red uz o volume de vazios e, consequentemente, a
3.3 PERMEABILIDADE DOS SOLOS
O conhecimento do comportamento do fluxo de água no interior dos solos é
de suma importância para a correta avaliação, entre outras coisas, da influência deste flu xo
no comportamento mecânico dos solos nas condições de infiltração do mesmo e no possível
fluxo de contaminantes.
A seguir apresenta -se uma descrição sucinta deste comportamento baseada
em pesquisa bibliográfica. Descrições mais detalhadas podem ser enco ntradas em FREEZE
& CHERRY (1979); TODD (1980); HAMILL & BELL (1986); e ABRH (1991).
O solo possui uma fase sólida representada pelas partículas minerais e outra
fluida composta por água e/ou ar. A fase fluida ocupa os vazios entre as partículas sólidas
que compõem o esqueleto do solo.
Quando este fluido é a água, a mesma pode se apresentar basicamente de
duas formas no solo dependendo das características texturais e mineralógicas do mesmo.
Nos solos grossos devido à menor intensidade das forças de s uperfícies dos
minerais a água fica livre entre as partículas sólidas, permanecendo em equilíbrio estático
ou fluido, sob a ação da gravidade, isto quando da disponibilidade de uma carga hidráulica.
Já nos solos finos, a presença de argilominerais com fo rças de superfície de
grande intensidade propicia a formação de uma camada de água adsorvida, que poderá estar
sujeita a pressões muito altas, em função das forças de atração existente entre as partículas.
Próximo às partículas, essa água pode se encon trar solidificada, mesmo à
temperatura ambiente, e, à medida que vai aumentando com a distância, a água tende a
tornar-se menos viscosa, graças ao decréscimo de pressões.
Esses filmes de água adsorvida propiciam um vínculo entre as partículas, de
forma que lhes confira uma resistência intrínseca chamada coesão verdadeira. O resto da
água existente nesses solos se encontra livre, podendo fluir entre as partículas, quando
existe um potencial hidráulico disponível.
A maior ou menor facilidade que as partíc ulas de água encontram para fluir
3.3.1 Percolação de água nos solos
Uma massa de solo é formada por partículas de vários tamanhos, dispostas
de uma forma tal que os vazios formados por elas são contínuos, permitindo que um fluido
percole dos pontos de maior energia para os de menor energia. A permeabilidade pode ser
definida como a propriedade do solo que permite que fluidos se movimentem através de
seus vazios interligados.
A água percola no interior do solo através dos canais formados pela
interligação dos vazios (fluxo laminar). Em termos macroscópicos o caminho de percolação
(trajetória, linha de fluxo ou de percolação) é indicada pela reta AB, enquanto em termo s
microscópicos a trajetória é definida pelo segmento MN, indicando o canal formado pelos
vazios do solo Figura 4. A retificação do caminho MN para AB é devida a dificuldades
práticas.
A medida da permeabilidade de um solo é feita através do coeficiente de
permeabilidade (k), introduzida por Darcy, e utilizando um fluxo unidirecional.
✁✄✂ ☎✝✆
✁✟✞✆✟✞ ✁✟✞✆✟✞
3.3.2 Lei de Darcy
Uma solução exata da equação que governa o fluxo subterrâneo é
virtualmente impossível de ser encontrada. A enorme complexidade apresentada pelos
canais de escoamento torna inviável qualquer tentativa nesse sentido. Essa dificuldade é
contornada pela adoção de valores médios nas variáveis hidráulicas e nas propriedades do
meio poroso.
Das grandezas mais conhecidas, a pressão e a massa específica mantêm o
mesmo significado dado na hidromecânica. O conceito de velocidade, entretanto, é
diferente do tradicional, isto é, taxa de variação do deslocamento em relação ao tempo.
Velocidade da água subterrânea ou velocidade Darcy é fluxo volumétrico definido pelo
volume escoado por unidade de tempo.
A velocidade Darcy é um fluxo macroscópico, definido em um elemento
representativo de área total. A Figura 5 mostra a água fluindo por um cilindro cheio de
areia, onde a velocidade Darcy (q) pode ser estimada através da própria definição, isto é,
volume de água recolhido por unidade de área e por unidade de tempo. Assim:
Outra velocidade, chamada velocidade de percolação (v) é definida como a
descarga por unidade de área de vazios. Assim:
A velocidade de percolação representa a velocidade média dos elementos de
fluido através dos vazios do meio poroso. Dependendo da natureza do problema estudado, a
adoção de uma ou outro velocidade poderá alterar substancialmente o valor dos resultados.
A Q t A
V q a =
∆ ∆ = φ φ q A Q v= =
✠ ✡☛ ☞✍✌ ✎ ✏✒✑ ☛ ✓ ✔ ✎✍✕✡☞ ✖ ✑✗ ☛ ✡✑☞ ✘✙✚ ✠ ✡☛ ☞✍✌ ✎ ✏✜✛ ✎ ✡✎ ✑ ✢✣ ☞✣ ☛✥✤ ✦ ✖ ✕✡☞ ✣ ☞ ✧ ☞ ★✣ ☞ ✗✥✖✎✍✕☛ ✏✍✛ ✎✩✕
Figura 5 – modelo básico da Lei de Darcy.
Um volume elementar de água subterrânea está submetido a forças devidas a
pressão e a gravidade. Estas duas força s são chamadas de ativas porque são responsáveis
pelo movimento da água subterrânea. Também existem forças resistivas desenvolvidas
quando a água está em movimento.
A água escoa a um taxa constante pelo elemento mostrado na Figura 6.
Tomando-se uma linha de fluxo na qual está sendo analisado o balanço de forças na direção
l, tem-se que:
Após simplificações e reconhecendo que senδ= dz/dl, segue-se que:
O lado esquerdo da equação acima é a força resistiva por unidade de volume
de fluido; dp/dl é a componente na direção l da força por unidade de volume de fluido
devida a pressão; ρg dz/dl é a componente na direção l da força por unidade de volume de
fluido devida a gravidade. A força F é proporcional à velocidade Darcy quando o
escoamento é viscoso.
F dAdl g dA dl dl dp p dA
pφ −( + )φ =(ρ φ )senδ +
F
g Ø dA dl
( + dp dl) Ø dA dl dz dl ØdA l z dA
meio poroso com porosidade Ø
Figura 6 – escoamento da água num elemento de solo.
Um melhor entendimento dos fatores que controlam o atrito, quando as
forças resistivas predominam sobre as forças ativas, pode ser encontrado através da análise
de três casos simples:
Num escoamento em tubo capilar de raio R. A relação entre as forças ativas
e a velocidade média v é a seguinte:
Onde µé a viscosidade dinâmica do fluido e l a coordenada medida ao longo do
tubo.
Num escoamento de uma película fina de espessura d sobre uma superfície a
velocidade média v está relacionada com as forças ativas da seguinte maneira:
Num escoamento entre duas placas paralelas separadas por uma distância b a
Relacionando as equações (5) e (7) e usando a equação (4), chega -se a
seguinte equação:
Onde C é uma adimensional dependente da forma dos canais de escoamento,
d✰é uma dimensão característica de domínio do fluxo e v é a velocidade média de escoamento (velocidade Darcy).
Na realidade, o escoamento de um elemento de fluido em um meio poroso é
extremamente tortuoso, razão pela qual o comprimento percorrido por esse elemento de
fluido é muitas vezes maior do que a distância macroscópica entre dois pontos. Portanto, os
efeitos da tortuosidade no movimento de um elemento de fluido estão incluídos nos
parâmetros d e C.
FazendoC/d✰ = k e chamado k de permeabilidade intrínseca do meio poroso (tem a dimensão de área L✱), e resolvendo a equação pela velocidade q, tem-se:
A equação (9) aplica-se a fluidos com massa específica variável ou constante
e a meio porosos com permeabilidade intrínseca também variável ou constante e a meios
porosos com permeabilidade intrínseca também variável ou constante. Para ap licações em
hidrogeologia, a massa específica pode ser considerada constante. Assim, a equação (9)
pode ser simplificada:
Onde a quantidade entre parênteses é a altura piezométrica h, assim:
✲ ✳ ✴ ✵✶✷ + − = = dl dz g dl dp d q C dAdl F ρ µ
φ 2 (8)
✸ ✹ ✺ ✻✼✽ + − = dl dz g dl dp k q ρ
µ (9)
✾ ✾ ✿ ❀ ❁ ❁❂❃ + − = z g p dl d g k q ρ µ ρ ) 10 ( z g p h= +
O coeficiente que multiplica a força ativa é chamado condutividade
hidráulicaK:
A condutividade hidráulica é um parâmetro hidrogeológico, com dimensão
L/T, que combina as propriedade do fluido e as propriedades do meio.
Quando a massa específica da água é considerada constante, a altura
piezométrica é a força potencial, com o significado físico de energia por unidade de peso
de fluido. Substituindo as equações (11) e (12) na equação (10), surge uma equação
simplificada da lei de Darcy:
onde: dh/dl é o gradiente hidráulico e q, velocidade de percolação do fluido é Q/A, sendo Q
a vazão e A área da seção perpendicular ao sentido do fluxo.
3.3.3 Fatores que afetam a permeabilidade dos solos
Para facilitar o entendimento de sua influência, os fatores que afetam a
permeabilidade dos solos podem ser di vididos em dois grupos: (1) fatores relativos ao
fluido de percolação; e (2) fatores relativos ao solo.
3.3.3.1 Relativos ao fluido de percolação
Neste caso os fatores mais importantes são a massa específica e a
viscosidade do fluido. Já que estes par âmetros são dependentes da temperatura, o mais
comum é representar o coeficiente de permeabilidade dos solos a uma temperatura padrão
(a temperatura adotada é 20 °C) e os valores de massa específica e viscosidade do fluido
(comumente a água) são corrigidos para esta temperatura.
µ ρg k
K = (12)
dl dh K
3.3.3.2 Relativos ao solo
Dentre os fatores relativos ao solo os mais importantes são: (1) textura
(relacionada a granulometria da fase sólida e de grande influência principalmente em solos
grossos), (2) índice de vazios (diretam ente proporcional à permeabilidade); (3) estrutura
(quanto mais floculada mais favorece a percolação); mineralogia (a presença de
argilominerais reduz a permeabilidade devido à sua capacidade de fixação da água); e grau
de saturação (o aumento do grau de s aturação condiciona aumento da permeabilidade já
que com a saturação há expulsão de ar dos vazios possibilitando o aumento da percolação).
3.3.4 Obtenção do coeficiente de permeabilidade
O coeficiente de permeabilidade pode ser determinado de diversas formas,
podendo essas técnicas serem divididas em três categorias: métodos diretos, métodos
indiretos e métodos de campo.
3.3.4.1 Métodos Diretos
Por se tratarem de métodos que permitem uma determinação mais precisa do
parâmetro estes métodos são os mais utilizados (principalmente aqueles que lançam mão de
equipamentos denominados permeâmetros). Neste caso são usados dispositivos e técnicas
de ensaio em laboratório que permitem a leitura direta da permeabilidade do solo.
a. Permeâmetro de Carga Constante
Muito empregada para materiais granulares como areias e pedregulhos e
solos de textura mais grosseira esta técnica de ensaio consiste em fazer circular água por
um corpo de prova devidamente preparado e medir o volume de água percolada por
Como a circulação da água é rápida, já que o material apresenta alta
permeabilidade, a evaporação do água coletada por meio do recipiente na saída do corpo de
prova pode ser considerada desprezível. Uma representação deste esquema experimenta l
pode ser observada na Figura 7.
o
Volume V no tempo t
h2
l
h
L
h
∆
Saída Entrada
horizontal Área A
Figura 7 – permeâmetro de carga constante.
Neste caso o coeficiente de permeabilidade pode ser obtido por:
HAt VL
k = (14)
b. Permeâmetro de Carga Variável
Este ensaio tem aplicação mais ampla que o anterior podendo ser utilizado
para solos finos uma vez que na técnica de medição de fluxo de água pelo corpo de prova o
volume circulado é medido em circuito fechado sem a possibilidade de evap oração, fato
fundamental por se tratar de material de baixa permeabilidade para o qual o ensaio costuma
Volume dV no tempo dt
h
L
t
h
∆
∆
o
horizontal Área a
Área A horizontal
Figura 8 – permeâmetro de carga variável.
A solução da equação do fluxo para esta condição é:
(
hf hi)
tA aL
k −
∆
= log (15)
c. Em Ensaio de Adensamento
A técnica basicamente consiste em se acoplar à câmara do ensaio um tubo
similar ao utilizada no ensaio de carga variável e efetuar a medida do volume de água por
intervalo de tempo a cada etapa de carregamento do ensaio, possibilitando a caracterização
da variação do coeficiente de permeabilidade para diferentes níveis de tensão aplicados ao
solo. O ensaio é calculado como num ensaio a carga variável.
d. Em Ensaio Triaxial
Também neste caso acopla -se um tubo à câmara do equipamento (após a
calculando-se o coeficiente de permeabilidade através da fórmula do ensaio de carga
variável.
A vantagem da técnica é a obtenção do coeficiente de permeabilidade em
diferentes estados de tensão (estados duplos neste caso) sendo possível ainda avaliar o
efeito do confinamento do solo no parâmetro permeabilidade. O ensaio pode ainda ser
realizado com carga constante impondo-se uma velocidade de fluxo de água constante.
3.3.4.2 Métodos Indiretos
Neste caso são utilizadas fórmulas de correlação com ensaios de campo ou
variáveis que descrevem o estado do solo (textura e estrutura) e sua relação com a
circulação de fluidos. Apesar de poderem apresentar grandes imprecisões essas técnicas
apresentam a vantagem de proporcionarem resultados de forma bastante rápida.
A mais comum destas técnicas é a fórmula de Hazen que relaciona k com o
diâmetro efetivo, que representa a fração fina do solo em termos do diâmetro equivalente
que corresponde a 10% do solo retido, e é dada por:
K = C.De2 (16)
onde C é uma constante que varia de 40 a 120 (normalmente 100)
3.3.4.2 Métodos de Campo
A principal vantagem dos ensaios de campo é a possibilidade de ensaiar uma
parcela mais representativa do maciço, porém seu custo às vezes torna a aplicação destes
ensaios mais restrita.
a. Ensaios em Furos de Sondagem
Também chamado ensaio de inf iltração em cavas cilíndricas este grupo de
ensaios pode ser executado de três diferentes formas segundo a técnica de circulação da
O ensaio de bombeamento é mais apro priado a maciços com
descontinuidades, pois possibilidade a avaliação de um volume mais amplo de material, o
de rebaixamento apresenta uma situação mais uniforme em materiais mais homogêneos na
porção insaturada do perfil, pois a possibilidade de maiores t empos de infiltração tende a
regularizar as vazões e proporcionar melhores resultados, enquanto o ensaio de recuperação
tem melhor aplicação na região saturada do perfil quando se pretende avaliar as condições
de circulação de água em regime mais constante.
b. Ensaios em Cava
Para a determinação da permeabilidade “in situ” das camadas mais
superficiais do perfil do solo pode -se lançar mão do ensaio em cava, no qual se preenche
uma cava de seção vertical trapezoidal, previamente escavada, com água e r egistra-se o
tempo necessário para a infiltração de determinada seção desta cava.
Maiores informações acerca das duas técnicas de campo citadas acima
